2013诺贝尔生理学或医学奖：一个有关“快递”的传奇

来源：丁香园      编辑：日色提

就在刚才，2013年诺贝尔生理学或医学奖授予给从事细胞运输机制研究的三位科学家，他们分别是詹姆斯·E·罗斯曼、兰迪·谢克曼和托马斯·聚德霍夫。他们三人对体内“快递”系统工作机制的研究成果或许会让很多疾病之谜迎刃而解。

众所周知，每个细胞都可视作生产和输出化学分子的工厂，比如用于调节血糖水平的胰岛素、再比如传递神经信号的神经递质，都是细胞工厂的产品。这些分子在胞内运输时乘坐的交通工具名为囊泡（vesicles）。承载着化学分子的囊泡是如何在正确的时间抵达正确的地点，在上述三位科学家的努力之下，我们对此已了然于胸。

兰迪·谢克曼发现了与囊泡运输相关的一系列基因。詹姆斯·E·罗斯曼阐明了“货物上车（即大分子进入囊泡）”的蛋白机制，托马斯·聚德霍夫的贡献让我们了解到，囊泡是怎样在各种信号的指挥之下，准确地将“货物”转运到目的地。

藉由他们的发现，一个准确转运和递送化学分子的精巧系统呈现在世人眼前。而这一系统一旦受到干扰，厄运就会随之而来。很多疾病——神经疾病、糖尿病以及免疫性疾病——都与之相关。

准确直达的“巴士”

一个熙熙攘攘而又运转有序的港口，调控系统需要让正确的货物在正确的时间装入驶往正确目的地的交通工具中。细胞及其胞内细胞器也面临同样的问题。细胞工厂生产的激素、神经递质、细胞因子以及酶类需要在恰当的时间运输到胞内的其他部位，或“出口”到胞外以发挥其生理功能，也就是说准确直达几乎意味着一切。囊泡（由膜包裹而成的泡状物）就像一辆穿梭巴士，这辆巴士是如何明白自己的启程时间及目的地呢？

基因昭示答案

细胞运输系统的运转机制这一课题让1970年代的谢克曼神晕颠倒。他利用酵母作为模式生物开始研究其遗传学基础。通过仔细的筛选，谢克曼发现了一株运输系统有障碍的突变株酵母。这株酵母的运输系统像极了当今中国某些大城市的交通状况，组织状况极其混乱，而且无所事事的囊泡会堆积在细胞的某一个角落。

在明确这一状况是由基因突变所导致之后，谢克曼踏上了寻找靶基因之旅。最终，他发现有三类基因调控着细胞运输系统的不同方面，这一系统黑箱也随之露出一缕峥嵘。

上车和下车

罗斯曼同样也是细胞运输系统研究的粉丝。上世纪80和90年代，他在哺乳动物细胞中开展了相关研究。

罗斯曼发现，一个蛋白复合物能帮助囊泡与“货物”结合，并将后者装入到囊泡中。而囊泡的膜及目的细胞器的膜上均有相应的信号蛋白。细胞内有很多类似蛋白，二者借助“天王盖地虎，宝塔镇河妖”的暗号，确保货物的准确及时到达。此外，罗斯曼还发现，在胞外转运时，机制与胞内转运非常类似。

进一步的研究中，谢克曼在酵母中鉴定得到基因，罗斯曼在哺乳动物细胞中同样也有发现。这一事实也表明，细胞运输机制沿袭自一个古老的进化起源。

时间就是一切

“快递”传奇的接力棒交到了聚德霍夫手中，他对大脑中神经细胞间的沟通非常感兴趣。罗斯曼与谢克曼的发现可以解释在囊泡与神经细胞的细胞膜融合后，囊泡中的神经递质能通过一定机制释放出来，但释放是有条件的，只有神经细胞打算发出信号时，这一过程才会发生。那么这种释放的精确调控机理是怎样的呢？

上世纪90年代，人们发现钙离子参与到这一过程中。由此，聚德霍夫的研究开始聚焦于神经细胞中的钙离子敏感蛋白，他描摹出钙离子流动的分子机制，同时还证实囊泡和细胞膜的融合过程是神经递质释放的关键步骤。这一发现解释了细胞运输系统在时间上的精确性，同时还指出“货物”须有指令方能下车。

三名新科诺奖得主的卓越贡献向我们展示了一个基本的细胞生理过程的种种细节。这些发现如同一幅逐帧展开的画卷，从中我们不但能领略到科学之美，造化之妙，疾病之谜或许也能渐渐清晰起来。

 

下面是来自科学松鼠会的诺贝尔奖图解：